為何是DNA而不是RNA作為遺傳信息的載體？

一項新的研究可能解釋了為何DNA而不是它古老的表親---RNA---是遺傳信息的主要儲藏室。DNA雙螺旋是容錯性較大的分子，能夠自我扭曲成不同的形狀來消減遺傳密碼的基礎構造元件---堿基A、G、C和T----所遭受的化學損傷。與此相反的是，當RNA以雙螺旋形式存在時，它是非常剛硬和不易彎曲的，不能夠容納受損的堿基，因而它*斷裂了。相關研究結果于2016年8月1日在線發表在Nature Structural and Molecular Biology期刊上，論文標題為“m1A and m1G disrupt A-RNA structure through the intrinsic instability of Hoogsteen base pairs”。

這項研究突出強調了DNA雙螺旋結構的動力學性質，其中這種結構在維持基因組穩定性和防止癌癥和衰老等疾病中發揮著極為重要的作用。這一發現將有可能改寫教科書上關于兩種遺傳物質的承載者---DNA和RNA---之間差異的記載。

論文共同通信作者、美國杜克大學醫學院生物化學教授Hashim M. Al-Hashimi博士說，“這些簡單而又漂亮的結構具有驚人的復雜性，在此之前，我們由于沒有觀察它們的工具，而不能夠了解它們全新的維度或結構層。”

*的DNA雙螺旋經常被繪制為螺旋梯：兩條長鏈相互纏繞在一起，梯子的每一節都是一對堿基組成的。每個堿基含有碳環以及不同構象的氮原子、氧原子和氫原子。這些原子的分布允許G與C配對，A與T配對。

當Watson和Crick在1953年發布他們的DNA模型時，他們地預測這些堿基對將如何組裝在一起。不過，其他的科學家們仍在努力提供證據支持這些所謂的Watson-Crick堿基對。此后在1959年，生物學家Karst Hoogsteen獲得A-T堿基對的圖片，它是一種略有傾斜的結構，一個堿基相對于另一個堿基旋轉了180度。從那時以后，Watson-Crick堿基對和Hoogsteen堿基對仍然只在DNA圖片中觀察到。

5年前，Al-Hashimi和他的團隊證實在DNA雙螺旋中，堿基對不斷地在Watson-Crick構象和Hoogsteen構象之間來回轉換。Al-Hashimi說，當DNA被蛋白結合或因化學攻擊遭受損傷時，Hoogsteen堿基配對通常會出現。當DNA從結合的蛋白中釋放出來或修復它的損傷時，DNA返回到更加直接的Watson-Crick堿基配對。

Al-Hashimi說，“DNA似乎利用這些Hoogsteen堿基對增加它的結構多樣性，產生不同的形狀來實現細胞內更多的功能性。”

Al-Hashimi和他的團隊想要知道當RNA形成雙螺旋結構時，同樣的情形是否也可能發生。鑒于堿基配對上的這些轉換涉及原子水平上的分子運動，利用常規方法很難檢測它們。因此，Al-Hashimi團隊的研究生Huiqing Zhou采用一種復雜的被稱作核磁共振弛豫分散（NMR relaxation dispersion）的成像技術可視化觀察這些微小的變化。首先，她設計出兩種雙螺旋模型---一種由DNA制作出來的，另一種由RNA制作出來的。接著，她利用這種成像技術追蹤按照Watson-Crick或Hoogsteen堿基配對規則配對形成上升螺旋中的單個堿基G和A的翻轉。

之前的研究已表明在任何給定的時間，在DNA雙螺旋中只有1%的堿基形成Hoogsteen堿基對。但是當Zhou研究了相對應的RNA雙螺旋時，她發現*沒有可檢測到的分子運動；堿基對全部都呆在原位，保持Watson-Crick構象。

研究人員想知道他們的RNA雙螺旋模型是否是一種不同尋常的例外，為此，他們設計出一系列RNA分子，在多種條件下對它們進行測試，但是沒有一種RNA分子扭曲成Hoogsteen構象。他們擔心RNA分子可能實際上形成Hoogsteen堿基對，但是它們發生得如此之快以至于他們不能夠當場捕捉到它們。Zhou將甲基基團添加到這些堿基的一個特異性位點上來阻斷Watson-Crick堿基配對，因此[如果存在Hoogsteen構象的話，]RNA將會保持Hoogsteen構象。她吃驚地發現RNA的兩條鏈并不是通過Hoogsteen堿基對連接在一起，而是在損傷位點附近斷裂開。

Zhou說，“在DNA中，這種修飾（即添加甲基）是一種損傷，它能夠很容易地通過翻轉這個堿基和形成Hoogsteen堿基對加以消減。相反之下，這種同樣的修飾嚴重地破壞RNA的雙螺旋結構。”

Al-Hashimi團隊認為RNA不形成Hoogsteen堿基對是因為它的雙螺旋結構（A型）要比DNA的雙螺旋結構（B型）壓縮得更緊。因此，RNA不能夠在不撞擊另一個堿基的情形下翻轉一個堿基，而這種撞擊會讓它的雙螺旋結構斷裂開。

Al-Hashimi說，“對雙螺旋這么基礎的東西，我們如此晚地發現這些基礎性質是令人吃驚的。我們需要繼續努力更加深入地理解生命的這些基礎分子。”